Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977)

М. М. МИРОШНИКОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений ЛЕНИНГРАД „МАШИ Н О СТ РОЕНИЕ" ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1977 УДК 081.7 Рецензенты Кафедра ОЭП (П-2) Московского высшего технического училки;а им. Н. Э. Баумана и д-р техн.

наук В. А. Хруащиаа Редактор проф. В. Г. В а ф и а д и Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учебное пособие для вузов. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977. 6ОО с. с ил. В учебном пособии наложены основные вопросы теории оптнко-злектронных приборов, предпазначенных для обнаруження источников оптического нзлучекня н пространственных координат источника. Основное вннманне уделено прнборам пасснвного тяпа„т. е.

приборам. воспрнннмающнм:"либо собственные нзлучеяня объектов н фонов. либо отраженное нмн излучение есзчствевных нсточннков. Изложены основы теорнн скакврованвя. теорнк модуляцнн н теорнн выделення оптнческого снгнала ка фоне помех. табл. 26, нл. ач9, спнсок лят. ат назв. 20406 — 244 М 244 — 77 © Издательство «Машиностроение», 1977 г. 038(01) — 77 ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время оптика, обогащенная новейшими достижениями электроники, стала одним из главных источников научнотехнического прогресса в приборостроении.

Это связано прежде всего с открытием явления вынужденного излучения, реализуемого в квантовых генераторах, превративших оптические приборы в средство активного воздействия на окружающий мир и передачи на расстояние значительной энергии. Однако восприятие, передача и преобразование информации по-прежнему занимают ведущее место в оптическом приборостроении. При этом наибольшее значение имеют те приборы, которые не просто вооружают глаз человека, а обеспечивают существенное расширение его возможностей при регистрации слабых и невидимых потоков излучения, а также при создании автоматических приборов и автоматизации производственных процессов.

В основе таких приборов лежит открытие и разработка высоко- чувствительных приемников оптического излучения, позволивших проникнуть в невидимые области спектра и обеспечить автоматизацию процесса регистрации излучения путем преобразования его в электрический сигнал. Благодаря этому существенно обогатилось свойство оптических методов и приборов обеспечивать наивысшую точность измерения и, следовательно, наивысшее качество выпускаемой продукции — свойство, определяемое тем, что, пользуясь оптическим прибором, человек оперирует точнейшим эталоном — длиной волны света.

Хотя открытие явления фотоэффекта произошло в самом начале нашего века, интенсивные работы в области фотоэлектрических оптических приборов следует отнести к 1929 †19 гг., когда появились чувствительные фотоприемники. 1'азработки значительно ускорились начиная с 1939 г., а в послевоенный период интенсивные исследования в области фото~~ектрических приборов, чувствительных в невидимой инфракрасной области спектра, ведутся практически во всех развитых ~~ранах. Именно в послевоенный период возникает название оптико- электронные приборы в противовес установившемуся в физике и технике ночного видения названию электронно-оптические приборы. В электронно-оптических приборах осуществляются преобразование излучения в поток электронов, последующее усиление этого потока с помощью электронной оптики и обратное преобразование усиленного электронного потока в свет за счет электролюминесценции.

В оптико-электронных приборах излучение преобразуется в электрический сигнал, который подвергается специальной обработке и регистрируется. Наряду с инфракрасной областью спектра, где принципы создания оптико-электронных приборов были положены, в частности, в основу разработки теплопеленгаторов, головок самонаведения и тепловизоров, оптико-электронные приборы начали широко использоваться в видимой и ультрафиолетовой областях спектра для решения задач автоматической астроориентации и астронавигации беспилотных самолетов, ракет и искусственных спутников Земли.

Большое распространение оптико-электронные приборы получили при проведении контрольно-измерительных операций и спектральном анализе в промышленности, а также в разнообразных научных и медико-биологических исследованиях. Открытие и совершенствование оптических квантовых генераторов послужило стимулом дальнейшего развития оптико- электронных приборов различного назначения. На «стыке» квантовой механики, физической оптики и радиоэлектроники появилось, по существу, новое направление, называемое квантовой оптико-электроникой.

Новейшие достижения в области физики твердого тела и оптической технологии (тонкие пленки, волоконная оптика, источники и приемники излучения) позволили осуществить создание различных логических схем с использованием прямого и обратного преобразования света в электрический сигнал, что положило начало развитию оптоэлектроники, которая может стать основой нового поколения вычислительных машин. Главной целью настоящей книги является последовательное изложение теоретических основ пассивных оптико-электронных приборов, т.

е. приборов, воспринимающих либо собственное излучение объектов и фонов, либо отраженное ими излучение естественных источников, например Солнца. Предполагается, что физические основы оптико-электронных приборов (физическая оптика, источники и приемники излучения, распространение и ослабление излучения), а также основы теории оптических систем (геометрическая и волновая оптика, теория оптического изображения) уже известны читателю.

Однако некоторые специфические вопросы и важные обобщения из этих областей будут кратко рассмотрены. Основными разделами книги являются сканирование, растровая модуляция излучения, выделение оптического сигнала на фоне случайных помех. р выражает глубокую благодарность своей жене Зинаиде вие щирошниковой, многолетнее повседневное участие коработе над материалами книги сделало возможным под- 1лваиовне, торой в готов вку ее к издан„„ "риятным ол проф. Л П. Лазарева и д-ра техн.

наук В. А. Хрусталева за вни- матель ное рецензирование в процессе которого ими был высказан ряд 3 амечаний, учтенных при составлении окончательного текста. Автор благодарит В. Ф. Захаренкова, Р. Н. Иванову, Н. Ф. Соб леву, Г. А. Маковцова и других сотрудников Государственного оптического института, оказавших большую помощь при подготовке рукописи к изданию. Автор заранее благодарен всем, кто пришлет свои замечания, советы и пожелания по адресу: 191065, Ленинград, Д-65, ул. дзержинского, 10, Ленинградское отделение издательства <,машиностроение».

Введение ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, ЭЛЕМЕНТЫ И ХАРАНТЕРИСТИНИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ э 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Любые окружающие нас тела. являются источниками оптического излучения. В оптических сигналах содержится информация о размерах, форме, положении и энергетическом состоянии тел. Эга информация может использоваться различным образом, однако во всех случаях в процессе ее использования происходит преобразование оптического излучения в другие виды энергии.

Оптико-электронными называют приборы, с помощью которых сведения о размерах, форме, положении и энергетическом состоянии тела, содержащиеся в потоке излучения, извлекаются путем его специальной обработки и преобразования в электрический сигнал, который также обрабатывается с целью выделения из шумов и последующей регистрации. Информация об излучающем теле после преобразования содержится в параметрах электрического сигнала: амплитуде, частоте, фазе, длительности импульса и др., которые и регистрируются в приборе.

В зависимости от решаемой задачи некоторые тела являются объектами наблюдения (целлми), а некоторые — фонами, причем одно и то же тело может бьггь иногда объектом, а иногда— фоном. Так, звезды являются объектами наблюдения при астроориентации и элементами фона при наблюдении за искусственными спутниками Земли. Своеобразным фоном являются организованные помехи.

Объект наблюдения и окружающий его фон образуют поле излученил, характеристики которого изменяются в пространстве и во времени. Наличие изменяющегося фона является первой причиной, препятствующей наблюдению. Вторая причина состоит в том, что, несмотря на принципиальную возможность усиления сколь угодно малых электрических сигналов, практически все же оказывается невозможным различить сравнительно слабые сигналы из-за хаотических флуктуаций или шумов. ико электронные приборы могут классифицироваться по Оптик ,„м признакам: области спектра, способу использования следу~оши У ИС~~чни~а осы дчин вопи в которои прибор обладает заданнои рине пол чупс ельностью, и т.

д. зависимости От используемои Области спектра Оптико эчектронные приборы подразделяются на приборы, работающие в льтрафивлетвввй (1 — 380 нм), видимой (380 — 780 нм) и инч 1ракр красной областях спектра (780 нм — 1 мм). ~пвсвб использования информации определяет, является ли ,пт» ко-электронный прибор автоматическим (работающим по Ватина-электронные прйооры Дпп аидовой полости спект а Дпп ипьтрафиопетаййа'йюсаи спект Дпп инфракрасной полости спеет йотонатические Инаика ианныв Проераннные Спионастраиоаю ивсе альноне ы Тепеоиеа Витино-фигические Пепенгато ы Акти ные Пассионые Интегральные Спент льные Рис. 1. Классификация оптико-мсктронных приборов программе и самонастраивающимся), т. е.